DE2514770A1 - Anlage zur nutzung der sonnenenergie fuer die direkte einspeisung in einen warmwasserheizkreislauf mittels wasserdurchfluteter kollektorplatten - Google Patents

Description

• Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie für die direkte Einspeisung in einen Warmwasserheizkreislauf mittels wasserdurchfluteter Kollektorplatten Die Erfindung betrifft schwarzbeschichtete Kollektorplatten, in denen das Wasser einer Warmwasserheizung zirkuliert und durch Sonneneinstrahlung erwärmt wird, wobei durch direkte Einspeisung in den Wasserkreislauf an der nächstgelegenen Anschlußmöglichkeit des Stranges auf kostspielige Investitionen verzichtet werden kann.
• Z w e c k der Erfindung ist es, die Sonnenenergie auf so einfache Weise für die Raumheizung und Warmwasserbereitung nutzbar zu machen, daß die dadurch erzielten Einsparungen an Brennstoffen oder bezogenen Beitungsenergien in einem wirtschaftlich annehmbaren Verhältnis zu den für die Anlage erforderlichen Investitionen und Betriebskosten stehen. Der in jedem Fall erreichbare volkswirtschaftliche und ökologische Gewinn besteht in der Ersparnis von Primärenergie ohne daß auf Komfort verzichtet zu werden braucht.
• Es ist bekannt, daß die Sonnenergie in anderen Ländern mit Hilfe von Kollektoren zu Heizzwecken verwendet wird (vgl. u.a. "Energiewirtschaftliche Tagesfragen", 24. Jahrgang (1974) Heft 1/2 Seite 37: "Sonnenenergie in greifbarer Nähe" und Seite 38: "Die Erforschung und Verwendung von Sonnenenergie in Australien"; "Energie als Herausforderung", Günter Olzog Verlag, München, 1974, Reihe "Geschichte und Staat" Band 136 Seite 80 ff: "Sonnenergie als alternative Energiequelle", Vortrag von William R. Cherry, Generalsekretär der Arbeitsgruppe Sonnenergie beim amerikanischen Präsidialamt für Wissenschaft und Technik; Bulletin des Verbandes Schweizerischer Elektrizitätswerke, Jahrgang 66 (1975) Heft 5 vom 8. März 1975 Seite 246 ff: "Energie von der Sonne"; VDI-Nachrichten, Heft 34/1974 vom 23. August 1074: "Sonnenenergie - Chancen wirtschaftlicher Nutzung auch in unseren Breiten").
• In der Regel bestehen die Kollektoren aus dünnen, geschwärzten Metallplatten, auf die ein Rohrsystem aufgeschweißt oder mittels einer Teerschicht aufgeklebt ist. Zur Verhinderung der Wärmeabstrahlung sind tie Kollektoren mit einer oder mehreren Glasplatten abgedeckt und auf der Rückseite isoliert. Der aufzuheizende Wärmetrager wird durch das in einem Rahmen gehaltene System gepumpt.
• Allen bisher verwendeten Anlagen gemsinsam ist eine ziemlich aufwendige Ausführung zum Erzielen ph@sikalisch optimaler Werte, wie dem Erreichen von Wassertemperaturen von 60 bis fast 100 °C. Dadurch werden zusätzliche und kostspielige Infrastrukturen notwendig. Die geforderten hohen Temperaturen beschränken die Nutzung der Sonnenenergie im Winterhalbjahr auf wenige Stunden am Tag, so daß die Rentabilitätsschwelle nicht erreicht wird. Ferner ist das Aufschweißen der Röhren auf die Kollektorplatten umständlich, und der mit den Röhren erzielbare Wirkungsgrad gering, weil die Röhren nur jeweils einen Teil der direkt von der Sonne bestrahlten Kollektorfläche bedecken.
• Der Erfindung liegt also die A u f g a b e zugrunde, die in mitteleuropäischen Breiten nicht so reichlich einstrahlende Sonnenenergie intensiver zu nutzen und dennoch die Gesamtanlage so weit zu vereinfachen, daß auch die vergleichsweise geringe Ausbeute die zusatzlichen Kosten einer Installation, insbesondere eines nachträglichen Einbaues in bereits bestehende Heizsysteme rechtfertigt. Die Sonnenenergie wird dabei stets als zusätzliche Energiequelle betrachtet.
• Die L ö 5 u n g besteht darin, daß das zu erwärmende Wasser in den Kollektoren nicht durch Röhren, sondern - zur Vergrößerung der von der Sonne bestrahlten wasserführenden Fläche - zwischen zwei verschweißen Platten aus tisen-, Kupfer-, Alluminiumblech oder Kunststoff durchgepumpt wird0 Der Anschluß der Kollektorplatten erfolgt schließlich nicht über die Beizung, die sich ja in der Regel i-m Keller befindet, sondern direkt mit den jeweils kürzesten Verbindungen vom Dach zum nächstgelegenen Warmwasserstrang des Heizsystems.
• Die Kollektoranlage ist also dem bestehenden Heizwasserkreislauf parallel geschaltet und wird durch einen differenztemperaturgesteuerten Regler zu- oder abgeschaltet. Ist die Differenztemperatur z.B.
• auf 0,7 °C eingestellt, dann schaltet der Regler bei einer Rück @@@lauftemperatur von 40 °C die Kollektoranlage über ein Magnetventil zu, sobald sich das Wasser dort durch die Sonneneinstrahlung auf 40,7 °C erwärmt hat. Kühlt das Wasser in den Kollektoren dagegen unter 40,7 @@@@ 39,3 °C ab, dann wird die Anlage wieder abgeschaltet0 Die w e i t e r e A u s g e s t a 1 t u n g der Erfindung sieht vor, daß a) bei einem stärkeren Abkühlen der Kollektoren mangels Sonneneinstrahlung, vor allem während der Heisperiode, entweder eine Umwälzpumpe und eine thermostatisch gasteuerte Elektroheizung (ca. 5 Watt pro Titer Wasser in den Kollektoren installiert werden, damit zur Vermeidung von Frostgefahr die Wassertemperatur nicht unter 1 °C absinkt (Minimallösung), oder das Wasser mittels eines Luftventils völlig aus den Kollektoren in einen gut isolierten Speicherbehälter abgelassen und bei Temperaturanstieg in den Kollekterplatten wieder in diese hineingepumpt wird (Optimallösung); b) in den Sommermonaten die Feuerungsanlage ganz abgeschaltet wird, wobei die Heizkörper von Hand zugedreht werden. Die Nutzung der zur Erwärmung von Brauchwasser Kollekteren / erfolgt entweder im Lreislauf über den nickt befeuerten Heizkessel, so daE statt des kalten Leitungswassers vorgewärmtes Wasser in einen Heißwasserspeicher gelangt und dort nur noch zusätzlich auf die gewünschte Temperatur gebracht wird (z.B.
• mittels Nachtstrom), oder in einem direkten Kreislauf über den so daß das von der Sonne erwärmte Wasser in ihm gespeichert und nur. falls en"orderlich. beim unmittelbaren

  Vcrbr:iiciein

  Durchlauferhitzer weiter erwärmt wird @@@. Fig.
• Die V o r t e i 1 e , die mit der Erfindung erzielt werden, eind a) größerer Wirkungsgrad der Kollektoren durch die Verwerdung von Platten mit flachem Durchflußquerschnitt statt der Röhren b) einfache Anschlußmöglichkeit an geplante herkömmliche oder bersits bestehende Heizsysteme, da nur die kurzen Verbindungen vom Dach zum nächstgelegenen Rücklaufstrang notwendig sind c) bei stärkerer Umwälzung des Heizwassers eine wesentlich niedrigere Vorlauftemperatur (ggf. bis urter 40 °C) und damit eine längere zeitgleiche, also direkte Nutzung der Sonnenenergie d) außerhalb der Heizperiode Verzicht auf die gerade in dieser Zeit unrationell arbeitende zentrale Feuerungsanlage, wobei das benötigte warme Brauchwasser so weit von der Kollektoranlage erwärmt wird, daß durch herkömmliche Brauchwassererhitzer in der Regel nur noch ein geringer Temperaturunterschied überwunden werden muß.
• Als A u s f ti h r-u n g s b e i s p i e 1 e seien erläutert a) die Kollektoren; ein Kollektor ist in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt. Der Kollektor besteht aus zwei Platten, von denen eine Rippen in der dargestellten Weise hat, so daß der Wärmeträger -hier das Wasser - durch den flachen Durchflußquerschnitt fließt.
• An den Rippen befinden sich auch die Schweißverbindungen. Der Kollektor ist an der Oberseite matt ggf. mit Ruß geschwärzt. Das 2 Fassungsvermögen der Platten sollte bei 5 lA m liegen.
• Die Kollektoren können eine nahezu beliebige Größe haben. Bei nachträglichem Einbau lassen sie sich am besten in handlioher Größe von etwa einem Quadratmeter Kollektorfläche einfach auf die Dachbedeckurg eines Süddaohes legen, z. B. in einem vorhandenen Sohneegitter oder an einem Kaminkehrersteg verankert.
• Auf Flachdächern lassen sich die Kollektoren im günstigsten Neigungswinkel von etwa 45 ° in einer oder mehreren schmalen REihen aufstellen, je nachdem, wie sie architektonisch zur Geltung kommen sollen. Bei Neubauten besteht die Möglichkeit des Einbaues in das Dach oder in die Südseite, wobei entsprechende Einsparungen an Dachbedeckung usw. entstehen. Die Herstellung der Kollektorplatten kann sich ggf. an der Herstellung von Plattenheizkörpern orientieren, damit eine Serienfabrikation-erleichtert wird.
• b) die unterdimensionierte Anlage ist so ausgelegt, daß sie ausschließ lich zeitgleich die Sonnenenergie ausnützt (vom ggf. schon vorhandenen Heißwasserspeicher abgesehen) und damit keine Investitionen für die Speicherung erfordert. Neben der Kollektorfläche von etwa 10 @m2 und den Verbindungsrohren Im Rücklauf ist hierzu nur der Differenztemperaturregler erforderlich sewie die Sicherung vor Frost durch eine kleine Umwälzpumpe und eine thermostatisch gesteuerte Elektroheizung im abgeschlossenen und durch ein Beipaßventil im.Kreis geschlossenen Kollektorsystem auf dem Dach. Der Stromverbrauch hierfür hält sich aufgrund@ der guten Isolation der Kollektoren in engen Gronzen.
• Auf ähnlich einfache Weise, nämlich zeitglich, kann die Sonnenenergie auch zur zusätzlichen Erwörmung des Wassers von Schwimmbädern genutzt werden, was vor allem wegen des noch niedrigeren Temperaturbereichs noch mehr Benutzungsstunden garantiert, Weitere Anwendungsmöglichkeiten bieten sich bei Fischzucht, in Gärtnereien, us.
• o) die größere Anlage für ein Ein- oder Mehrfamilienhaus oder sonstige Gebäude; sie kommt in der Regel bei Neubauten in Frage, weil hier die Bedingungen der Sonnenenergienutzung schon in der Planung berücksichtigt werden können, so daß den erheblichen Aufwendungen für Grõßspeicner im Rahmen des Heißwasserkreislaufs oder für andere andere Medien zur Energie speicherung bereits Einsparungen bei herkömmlichen iieizsystemen gegenüberstehen können. Der gut isolierte Groß####speicher (zur Vermi@derung von Pumpenergie möglichst im Dachgeschoß plaziert) wird über ein Magnetventil dem Heizkreislauf zugeschaltet, sobald das Mischerventil über die temperaturabhängige Steuerung auf Null stellung zu stehen kommt. Nun dient das von den Kollektoren erwärmte Wasser zum Aufheizen des GroBspeichers. Geht das Mischerventil infolge Abkühlung der Rücklauftemperatur unter dem eingestellten Wert aus der Nullstellung heraus, wird das erwärmte Wasser von den Kollektoren wieder voll dem Heizkreislauf zugeführt.
• Der Wasserspeicner erfüllt ferner die Funktion, zeituhrgesteuert uber eine Druckpumpe das gesamte Kollektorsystem nach Sonnenscheinende zu entleeren und damit eine Abkühlung in der Nacht zu verhindern. Die Kol1ektoren werden erst wieder gefüllt, wenn die Platten (über einen Temperaturfühler ermittelt) ca. 60 °C erreicht haben. Das durch ein Druckausgleichgefäß in sich geschlossene System ist zur Vermeidung von Oxydation mit Stickstoffgas -->t oder einem anderen Dehnungsgas gefüllt, und zwar jeweils entsprechend dem Volumen der leergepumpten Kollektorplatten.
• d) Speicherbehälter für eine unterdimensionierte Anlage; das unter c) beschriebene Speichersystem zur Vermeidung der Abkühlung des Wassers in der Zeit, in der die Sonne nicht scheint, läßt sich in vereinfachter Sorm auch für eine kleine Anlage errichten1 wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Das Wasser (nur ca. 50 1) läuft #####s z. 3. abends nach Abschalten des Kollektorsystems vom Heizwasserkreislauf in einen darunter stehenden isolierten 50-1-Speicher ab, wobei ebenfalls Dehnungsgas nachströmt. Erwärmen sich die Kollektorplatten am nächsten ag, wird das Wasser mit einer kleinen Pumpe wieder in die Platten gedrückt. Erst dann kann der Regler die Verbindung zum H#eizwasserkreislauf wieder herstellen. Der gesamte Vorgang läßt sich ggf. auch durch den Regler ausführen.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Anlage zur Nutzung der Sonnenenergie zur Warmwasserheizung und -brauchwasserversorgung mittels Kollektoren, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß da3 Wasser direkt durch den flachen Durchflußquerschnitt der Kollektorplatten flutet und unmittelbar am nächstgelegenen Rücklaufstrang in den Heizwasserkreislauf eingespeist wird.

2. Kollektoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke des Frostschutzes das Wasser in den Kollektorplatten durch eine Umwäl@zpumpe im geschlosenen Kreislauf bewegt und durch eine thermostatgesteuerte Elektroheizung auf einer Temperatur von mindestens 1 °C gehalten wird.

3. Kollektoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der Abkühlung des Wassers in den Kollektorplatten in der Zeit, in der die Sonne nicht scheint, das Wasser in einen isolierten Speicherbehälter ####### abläuft und bei Erwärmung der Platten wieder zurückgepumpt wird.

4. Kollektoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter nach anspruch 3 mit Hilfe eines Druckausgleichsbehälters zur Füllung des Volumens der Kollektorplatten betrieben wird, wobei Stickstoffgas oder ein anderes Dehnungsgas ver-endet wird0

5. Kollektoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage über den Rücklauf und Heizkessel der Warmwasserheizung bei, nichtbefeuertem Heizkessel #### vorgewärmtes Wasser für einen wasserspeicher zur Brauchwasserversorgung außerhalb der Heizperiode liefert,

6. Kollektoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage über den Rücklauf der Warmwasserheizung einen direkten Kreislauf über einen ,kjr l-far>tsa-ssersw cr zur Brauch@@@wasserversorgung bildet, so daß durch herkömmliche Brauchwassererhitzer nur noch der ggf. geringe Temperaturunterschied zur gewünschten Brauchwassertemperatur überwunden werden muß.

7. Kollektoranlagek nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich diese in unterdimensionierter Auslegung bei geringen Investitionen zum nachträglichen Einbau in bestehende Warmwasserheizungsanlagen eignet.

eignet. 8 .Ko11ektoriitan1age nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnetw daß als Kollektoren handelsübliche Wandplattenheizkörper oder ähnliche Xonstruktionen verwendet werden können.

9.Kollektoranlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Ausbildung des Systems, seiner Einzelheiten und deren Kombinationen wie oben beschrieben und in den Abb. 1 und 2 dargestellt verwendet wird.